電渣爐電源諧波問題研究

孫亞¹  冮俊峰²  李培培¹

（1.西安石油大學(xué)，陜西 西安 710065；2. 中國(guó)機(jī)械工程協(xié)會(huì)電渣冶金技術(shù)委員會(huì) 冮俊峰 遼寧沈陽(yáng) 110000）

摘  要：本文重點(diǎn)介紹低頻電源電路的構(gòu)成，分析了諧波及功率因數(shù)問題。通過MATLAB搭建了基于晶閘管的電渣爐低頻電源仿真模型并進(jìn)行相關(guān)的仿真分析和研究。

關(guān)鍵詞：低頻，晶閘管，諧波，功率因數(shù)

Study on harmonics of Electros lag Furnace Power supply

Abstract：In this paper, the composition of low frequency power supply circuit is introduced, and the harmonic and power factor problems are analyzed. Through MATLAB, the simulation model of low frequency power supply for electroslag furnace based on thyristor is built, and the relevant simulation analysis and research are carried out.

keywords: low frequency, thyristor, Harmonic, power factor

1 引言

在電渣重熔系統(tǒng)的發(fā)展中，電渣爐電源技術(shù)革新是其中的關(guān)鍵一環(huán)。其中低頻技術(shù)在電渣爐電源系統(tǒng)中的應(yīng)用日益得到重視。在使用低頻電源作為電渣爐供電系統(tǒng)中以晶閘管作為主功率器件，其中依靠晶閘管在電路中按照一定的規(guī)律開閉動(dòng)作來(lái)完成電能的變換。而晶閘管在這種“交流開關(guān)狀態(tài)”的工作方式下，會(huì)產(chǎn)生諧波并注入電網(wǎng)系統(tǒng)，造成電網(wǎng)波形嚴(yán)重畸變。所以對(duì)這種諧波問題進(jìn)行研究，對(duì)系統(tǒng)的無(wú)功補(bǔ)償和控制策略的改進(jìn)具有重要的意義。

2 電渣爐低頻電源工作原理

電渣爐低頻電源依據(jù)的工作原理可用圖1所示的電路來(lái)說(shuō)明，電路由P和N兩組反并聯(lián)的三相全控整流電路構(gòu)成。變流器P和N都是相控整流電路，P組工作時(shí)，負(fù)載電流為正，N組工作時(shí)，為負(fù)。讓兩組變流器按一定的頻率交替工作，負(fù)載就得到該頻率的交流電。改變兩組變流器的切換頻率，就可以改變輸出頻率。改變電路工作時(shí)的控制角，就可以改變輸出電壓的幅值。另外半個(gè)周期可對(duì)變流器N進(jìn)行同樣的控制。

圖1 單相低頻電源原理圖

3 諧波問題分析

電路中的P組和N組都是三相橋式全控整流電路，其中都是以晶閘管作為主功率器件，由于晶閘管是一種非線性的交流元件，在采用的是相位控制方式，這樣造成了其輸出電壓波形是由缺角正弦波形構(gòu)成的，而這種波形會(huì)有較高的諧波含量^[2]。如圖2所示，當(dāng)系統(tǒng)空載α0時(shí)，輸出電壓波形構(gòu)成如圖所示，其中重復(fù)周期為2π/m：

圖2 輸出電壓波形圖

由(4)式知，在控制角α相同時(shí)，m增大，其諧波分量減小^[1]。當(dāng)m固定時(shí)，控制角α增加，諧波分量增加。同時(shí)，由于低頻拓?fù)涫怯蓛山M三相橋式全控整流電路構(gòu)成的，在單個(gè)工頻周期中輸出電壓脈動(dòng)m=6次，所以輸出電壓波形只含有m的倍次諧波。當(dāng)α0且不考慮重疊角的影響時(shí)，諧波分量振幅與輸出電壓平均值之比滿足2/n²-1關(guān)系，諧波次數(shù)愈高，諧波分量愈小�？刂平�α也不改變諧波次數(shù)，只對(duì)改變諧波大小有影響。

4仿真系統(tǒng)的建立

MATLAB的SIMULINK電力系統(tǒng)工具箱中包含了電路、電力電子、電氣傳動(dòng)和電力系統(tǒng)等電工學(xué)科中常用的基本元件和系統(tǒng)的仿真模型^[3]。它主要由電源模塊庫(kù)(Eleotric Souroes)、基本元件模塊庫(kù)(Elements)、電力電子模塊庫(kù)(Power Electronics)、電機(jī)模塊庫(kù)(Machines)、連接模塊庫(kù)(Conneotors)、測(cè)量模塊庫(kù)(Measurements)和附加模塊庫(kù)(ExtraLib)構(gòu)成^[4]。利用上述基本子模塊中的元件搭建了電路模型。如圖4所示，將系統(tǒng)的各個(gè)部分：三相電壓源、電壓電流測(cè)量模塊、低頻電路模塊、同步電源與6脈沖觸發(fā)器模塊等整合的一起就構(gòu)成了圖4所示的電渣爐低頻電源系統(tǒng)仿真主電路。

圖4低頻電路仿真主電路

本文以單相低頻輸出電壓52V、輸出頻率6.62Hz為例，對(duì)晶閘管控制角分別處于3°、33°、60°時(shí)的情況，進(jìn)行FFT分析。通過圖5、圖6和圖7的仿真結(jié)果可以看出：輸出為52V，對(duì)應(yīng)晶閘管控制角3°時(shí)，系統(tǒng)THD為9.81%；當(dāng)晶閘管控制角33°時(shí)，系統(tǒng)THD為12.22%；當(dāng)晶閘管控制角60°時(shí)，系統(tǒng)THD為22.61%。

通過這三種不同仿真結(jié)果的比較，可以看出在要求輸出電壓恒定的條件下，每一周期內(nèi)控制角越大，電壓的諧波含量較大，與之前的理論計(jì)算的結(jié)果一致。另外，在要求輸出不變的條件下，控制角增大，將會(huì)使系統(tǒng)的功率因數(shù)將降低。系統(tǒng)的功率因數(shù)可用下式表示：

式中，:功率因數(shù),為基波因數(shù)，為位移因數(shù)，為晶閘管控制角，為換相重疊角。

由(5)和(6)式可知，功率因數(shù)主要取決于控制角和換相重疊角，而換相重疊角主要取決于變壓器及回路的阻抗^[5]，設(shè)備安裝和使用狀態(tài)確定以后換相重疊角基本為固定值。在圖8中給出了功率因數(shù)與控制角的關(guān)系曲線^[2]：

圖8 功率因數(shù)與控制角的關(guān)系曲線

由功率因數(shù)與控制角的關(guān)系曲線結(jié)合公式(5)和(6)可知，對(duì)于低頻電源系統(tǒng)由于控制角增大，功率因數(shù)將降低。所以在電渣爐低頻電源系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，把控制角的調(diào)節(jié)范圍限制在在比較小的范圍內(nèi)，避免晶閘管深控，對(duì)于系統(tǒng)的諧波含量和功率因數(shù)的改善具有積極地意義。

本文對(duì)基于晶閘管的電渣爐低頻電源系統(tǒng)的諧波和功率因數(shù)問題進(jìn)行了分析研究，在理論研究的基礎(chǔ)上，使用MATLAB的SIMULINK工具箱搭建了相應(yīng)的仿真電路并進(jìn)行相關(guān)的仿真分析。得出在同等情況下，當(dāng)晶閘管的控制角α越大時(shí)，系統(tǒng)的諧波含量越高，功率因數(shù)也越低。這為電渣爐低頻電源系統(tǒng)的無(wú)功補(bǔ)償有重要的指導(dǎo)意義，也為系統(tǒng)的控制策略的改進(jìn)奠定了良好的基礎(chǔ)。

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